DE102005058808B4 - Position measuring device with holographic scale - Google Patents

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Abstract

Positionsmessgerät mit einer Laserlichtquelle (1) und einem Abtastkopf (3) mit Photodetektoren (7), die Laserlicht (8) der Laserlichtquelle (1) empfangen, sowie mit einem Mittel (2, 6) zum Erzeugen eines periodischen Lichtmusters (10) auf einer Abtastplatte (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (4) ein aus wenigstens zwei flächig ineinander verschachtelten Teilhologrammen (A, B, C, D) zusammengesetztes Hologramm (H) trägt, wobei die Teilhologramme (A, B, C, D) einfallendes Laserlicht (8) in Richtung der den Teilhologrammen (A, B, C, D) jeweils zugeordneten Photodetektoren (7) beugen.

Figure DE102005058808B4_0000
Position measuring device comprising a laser light source (1) and a scanning head (3) with photodetectors (7) receiving laser light (8) of the laser light source (1) and means (2, 6) for generating a periodic light pattern (10) on one Scanning plate (4), characterized in that the scanning plate (4) carries a hologram (H) composed of at least two partial nested sub-holograms (A, B, C, D), the sub-holograms (A, B, C, D) incident laser light (8) in the direction of the sub-holograms (A, B, C, D) each associated photodetectors (7) bow.
Figure DE102005058808B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Positionsmessgerät, bei dem durch die Verwendung holographischer Strukturen ein besonders einfacher Aufbau gegeben ist und das dennoch sehr genau messen kann.The invention relates to a position measuring device, in which a particularly simple structure is given by the use of holographic structures and yet can measure very accurately.

Die Verwendung von Beugungsstrukturen in optischen Positionsmessgeräten ist bekannt. Ganz allgemein werden positionsabhängige periodische Lichtmuster durch den Einsatz von Beugungsgittern erzeugt und abgetastet, um so positionsabhängige periodische Detektorsignale zu erzeugen.The use of diffractive structures in optical position measuring devices is known. More generally, position-dependent periodic patterns of light are generated and scanned by the use of diffraction gratings to produce position-dependent periodic detector signals.

Die JP 01280215 A beschreibt ein Positionsmessgerät, das einen Maßstab mit gitterartigen Strukturen aufweist, deren Strichrichtung sich über die Messlänge kontinuierlich ändert. Licht einer Lichtquelle fällt durch den beweglichen Maßstab auf einen relativ zur Lichtquelle ortsfesten Abtastkopf mit Photodetektoren. Der Abtastkopf erkennt anhand der Position der +/- 1. Beugungsordnung des am Gitter gebeugten Lichtstrahls in einer Detektorebene die Position des Maßstabes, an dem der Lichtstrahl gebeugt wurde. Ein Nachteil dieses Messprinzips ist, dass für eine hohe Auflösung feinste Beugungsstrukturen auf dem Maßstab hergestellt werden müssen, was für große Messlängen und damit lange Maßstäbe schwierig und teuer ist.The JP 01280215 A describes a position measuring device which has a scale with lattice-like structures whose line direction changes continuously over the measuring length. Light of a light source falls through the movable scale on a relative to the light source fixed scanning head with photodetectors. The scanning head recognizes the position of the scale on which the light beam has been bent on the basis of the position of the +/- 1. diffraction order of the light beam diffracted at the grating in a detector plane. A disadvantage of this measurement principle is that for a high resolution finest diffraction structures must be produced on the scale, which is difficult and expensive for long measuring lengths and thus long scales.

Die DE 10334250 A1 beschreibt ein Positionsmessgerät mit einem Maßstab für zwei zueinander senkrechte Messrichtungen, der schachbrettartig angeordnete Felder mit in unterschiedliche Richtungen beugende periodische Strukturen aufweist. Für große Messlängen und hohe Auflösung ist auch hier die Herstellung eines solchen Maßstabes aufwändig und teuer. Außerdem ist der Aufwand zur Vermeidung von unerwünschten Beugungsordnungen in der Detektorebene relativ hoch.The DE 10334250 A1 describes a position measuring device with a scale for two mutually perpendicular measuring directions, the checkerboard-like arranged fields having diffractive in different directions periodic structures. For large measuring lengths and high resolution, the production of such a scale is complex and expensive. In addition, the effort to avoid unwanted diffraction orders in the detector level is relatively high.

Die US 2001/0017350 A1 beschreibt ein optisches Positionsmessgerät basierend auf einem ringförmigen Beugungsgitter, das an einem weiteren Beugungsgitter in die +/- 1. Beugungsordnung aufgespaltenes Licht zurück auf das ersten Beugungsgitter reflektiert. Diese Anordnung ermöglicht auch bei einer durch äußere Einflüsse variierenden Wellenlänge einer Laserlichtquelle eine stabile Interferenz der gebeugten Teilstrahlen.The US 2001/0017350 A1 describes an optical position measuring device based on an annular diffraction grating, which reflects at a further diffraction grating in the +/- 1st order diffracted light back to the first diffraction grating. This arrangement enables stable interference of the diffracted partial beams even at a wavelength of a laser light source varying by external influences.

Die US 5909283 A zeigt ein optisches Positionsmessgerät basierend auf einer Laserlichtquelle und einem Maßstab mit einem Beugungsgitter, dessen Beugungsmuster mittels eines Computergenerierten Hologramms (CGH) abgetastet wird, um ein Moiré - Muster zu erzeugen und mittels eines Detektors abzutasten. Die Lichtausbeute kann mit dem CGH gegenüber einem herkömmlichen Abtastgitter gesteigert werden.The US 5909283 A shows an optical position measuring device based on a laser light source and a scale with a diffraction grating whose diffraction pattern is scanned by means of a computer generated hologram (CGH) in order to generate a moiré pattern and scan it by means of a detector. The light output can be increased with the CGH over a conventional sampling grid.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes Positionsmessgerät anzugeben, das kostengünstig herstellbar ist und dennoch eine gute Signalqualität aufweist.The object of the invention is to provide a simply constructed position measuring device, which is inexpensive to produce and yet has a good signal quality.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.This object is achieved by a device having the features of claim 1. Advantageous embodiments result from the features that are listed in the dependent of claim 1 claims.

Es wird ein Positionsmessgerät mit einer Laserlichtquelle und einem Abtastkopf mit Photodetektoren beschrieben, der Laserlicht der Laserlichtquelle empfängt. Dieses Positionsmessgerät weist außerdem ein Mittel zum Erzeugen eines periodischen Lichtmusters auf der Abtastplatte auf. Die Abtastplatte trägt ein aus wenigstens zwei flächig ineinander verschachtelten Teilhologrammen zusammengesetztes Hologramm, wobei die Teilhologramme einfallendes Laserlicht in Richtung der den Teilhologrammen zugeordneten Photodetektoren beugen.A position measuring device with a laser light source and a scanning head with photodetectors, which receives laser light from the laser light source, is described. This position measuring device also has a means for generating a periodic light pattern on the scanning plate. The scanning carries a hologram composed of at least two partially interleaved sub-holograms, the sub-holograms bending incident laser light in the direction of the photodetectors associated with the sub-holograms.

Durch die Bewegung des Lichtmusters relativ zur Abtastplatte erhält man periodische Detektorsignale mit einem hohen Modulationsgrad. Die Anordnung ist bei geeigneter Auslegung verschmutzungsunempfindlich.The movement of the light pattern relative to the scanning is obtained periodic detector signals with a high degree of modulation. The arrangement is insensitive to contamination with a suitable design.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei zeigt

  • 1 ein Positionsmessgerät für eine Messrichtung,
  • 2 zwei Hologramme,
  • 3 eine Detektorebene des Positionsmessgerätes,
  • 4 ein Positionsmessgeräte für zwei Messrichtungen,
  • 5 eine alternative Ausführungsform zur Erzeugung eines periodischen Lichtmusters.
Further advantages and details of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to FIGS. It shows
  • 1 a position measuring device for a measuring direction,
  • 2 two holograms,
  • 3 a detector plane of the position measuring device,
  • 4 a position measuring device for two measuring directions,
  • 5 an alternative embodiment for generating a periodic light pattern.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Eine Laserlichtquelle 1 sendet einen Laserstrahl mit einem Durchmesser von ca. 4 mm und einer Wellenlänge von 670nm über einen in Messrichtung X beweglichen Maßstab 2 auf einen Abtastkopf 3. Der Abtastkopf 3 weist eine Abtastplatte 4 auf, durch die das einfallende Licht auf eine Detektorebene 5 mit mehreren Photodetektoren 7 fällt. Der Maßstab 2 trägt ein Schattenwurfgitter 6. Auf die Abtastplatte 4 fällt daher ein periodisches Lichtmuster aus hellen und dunklen Streifen. Dieses Lichtmuster bewegt sich mit dem Maßstab 2. Auf der Abtastplatte 4 befindet sich ein zusammengesetztes Hologramm H der Größe 5mm x 5mm, also in etwa entsprechend dem Durchmesser des Laserstrahls der Laserlichtquelle 1. Es ist aus mehreren streifenförmigen Teilhologrammen zusammengesetzt. Jedes dieser Teilhologramme ist so erzeugt, dass es das einfallende Licht in erster Ordnung auf einen der Photodetektoren 7 beugt. Das Schattenwurfgitter 6 ist so ausgebildet, dass in bestimmten Stellungen nur solche Streifen des Hologramms beleuchtet werden, die das Licht zu einem bestimmten Photodetektor 7 beugen. Verschiebt man den Maßstab 2 um die Breite eines Teilhologramms in Messrichtung X, so werden andere Teilhologramme beleuchtet, die das Licht nun zu einem nächsten Photodetektor 7 beugen. Bewegt man also den Maßstab 2 in Messrichtung X, so trifft in der Detektorebene 5 neben ungebeugtem Licht 8 ein gebeugter Lichtstrahl 9 auf, der nacheinander alle Photodetektoren 7 beleuchtet. Im Beispiel der 1 erhält man so von den Photodetektoren 7 vier um jeweils 90 Grad phasenverschobene Inkrementalsignale, die sich in herkömmlicher Weise zur relativen Positionsmessung durch Zählen und Interpolieren der Inkrementalsignale verwenden lassen. Anstelle eines Schattenwurfgitters kann natürlich auch ein Reflexionsgitter zum Erzeugen des periodischen Lichtmusters dienen. 1 shows a first embodiment. A laser light source 1 sends a laser beam with a diameter of about 4 mm and a wavelength of 670nm over a moving in the measuring direction X scale 2 on a scanning head 3 , The scanning head 3 has a scanning plate 4 up, through which the incident light on a detector level 5 with several photodetectors 7 fall. The scale 2 carries a shadow grille 6 , On the scanning plate 4 Therefore, a periodic light pattern of light and dark stripes. This pattern of light moves with the scale 2 , On the scanning plate 4 There is a composite hologram H of size 5mm x 5mm, so approximately corresponding to the diameter of the laser beam of the laser light source 1 , It is off composed of several strip-shaped sub-holograms. Each of these sub-holograms is generated so that it receives the incident light in first order onto one of the photodetectors 7 prevented. The shadow grille 6 is designed so that in certain positions only those strips of the hologram are illuminated, the light to a specific photodetector 7 bow. Move the scale 2 by the width of a sub-hologram in the measuring direction X, other sub-holograms are illuminated, which now the light to a next photodetector 7 bow. So if you move the scale 2 in measuring direction X, so meets in the detector plane 5 next to unbent light 8th a diffracted beam of light 9 on, one after the other all photodetectors 7 illuminated. In the example of 1 This is how you get from the photodetectors 7 four incremental signals phase-shifted by 90 degrees, which can be conventionally used for relative position measurement by counting and interpolating the incremental signals. Of course, instead of a shadow grating, a reflection grating can also be used to generate the periodic light pattern.

2 verdeutlicht noch einmal den Aufbau des Hologramms H. Rechts dargestellt ist das Hologramm H, wie es auf der Abtastplatte 4 aufgebracht ist. Man erkennt vier Teilhologramme A, B, C, D, die streifenförmig und abwechselnd nebeneinander und in immer gleicher Reihenfolge angeordnet sind. Im linken Teil der 2 ist ein vollständiges Hologramm A dargestellt, aus dem die Streifen A für das Hologramm H entnommen sind. 2 illustrates once again the structure of the hologram H. On the right is the hologram H, as it is on the scanning 4 is applied. One recognizes four partial holograms A, B, C, D, which are arranged in strips and alternately next to each other and in always the same order. In the left part of the 2 a complete hologram A is shown, from which the strips A are taken for the hologram H.

Bei dem Hologramm H handelt es sich um ein binäres Amplitudenhologramm. Solche Hologramme ermöglichen es, Licht aus einem kohärenten Laserstrahl gezielt in ein beliebiges reales Bild zu beugen. Sie lassen sich z.B. durch die rechnerische Überlagerung einer Referenzwelle mit den (fiktiven) Punktlichtquellen des gewünschten Bildes berechnen. Für jede einzelne Teilfläche des Hologramms H wird in einem Raster mit z.B. 1µm Schrittweite die Summe beispielsweise der Feldvektoren des elektromagnetischen Feldes der Punktlichtquellen bestimmt. Je nach Größe des resultierenden Feldes wird bei Amplitudenhologrammen die jeweilige Teilfläche dann undurchlässig oder transparent gewählt. Das Hologramm wird einfach durch die Strukturierung einer nichttransparenten Schicht auf einer transparenten Platte hergestellt.The hologram H is a binary amplitude hologram. Such holograms make it possible to diffract light from a coherent laser beam into any desired real image. They can be e.g. calculated by the mathematical superimposition of a reference wave with the (notional) point light sources of the desired image. For each individual sub-area of the hologram H, in a raster with e.g. 1μm step determines the sum of, for example, the field vectors of the electromagnetic field of the point light sources. Depending on the size of the resulting field, the respective sub-area is then selected opaque or transparent in amplitude holograms. The hologram is made simply by patterning a nontransparent layer on a transparent plate.

Für ein binäres Phasenhologramm, das gegenüber dem Amplitudenhologramm eine höhere Effizienz aufweist, benutzt man eine Reliefstruktur mit zwei Ebenen, die für die Wellenlänge des Referenzstrahls eine Phasenverschiebung von 180° zueinander aufweisen. Die Phasenverschiebung erreicht man entweder durch das gezielte Tiefätzen einer transparenten Platte (z, B. Glas) oder durch die Strukturierung einer transparenten Schicht auf einer Platte. Im Vergleich zu binären Phasenhologrammen kann man die Effizienz weiter erhöhen, wenn man anstelle der zwei Ebenen mehrere Stufen mit kleineren Phasenverschiebungen benutzt. Zur Berechnung solcher Hologramme werden in der Regel komplexere Algorithmen eingesetzt.For a binary phase hologram, which has a higher efficiency compared to the amplitude hologram, one uses a relief structure with two planes, which have a phase shift of 180 ° to each other for the wavelength of the reference beam. The phase shift can be achieved either by the targeted deep etching of a transparent plate (z, B. glass) or by structuring a transparent layer on a plate. Compared to binary phase holograms, efficiency can be further increased by using multiple stages with smaller phase shifts instead of the two levels. To calculate such holograms, more complex algorithms are usually used.

Die Rekonstruktion des gewünschten Bildes erfolgt, indem man das fertige Hologramm mit dem Referenzstrahl beleuchtet. Licht aus dem Referenzstrahl wird aufgrund der Amplituden- oder Phasenstruktur des Hologramms in das reale Bild gebeugt.The reconstruction of the desired image is done by illuminating the finished hologram with the reference beam. Light from the reference beam is diffracted into the real image due to the amplitude or phase structure of the hologram.

Für das in der linken Hälfte der 2 gezeigte Hologramm A wurde beispielsweise vorgegeben, dass einfallendes Licht auf einen Punkt der Detektorebene 5 fallen soll, in dem ein dem Hologramm A zugeordneter Photodetektor 7 liegt. Jeweils 10 µm breite Streifen dieses Hologramms A, im Abstand von 40 µm aus dem linken Hologramm A entnommen und an der korrespondierenden Stelle in das rechte Hologramm H eingesetzt bilden einen Teil des Hologramms H. Die weiteren Teilhologramme B, C, D werden entsprechend für die Beleuchtung der weiteren Photodetektoren 7 ausgelegt. Weitere Streifen der Breite 10 µm aus den drei Teilhologrammen B, C, D vervollständigen das Hologramm H, das dann eine Periodizität (A - B - C - D) von 40 µm in Messrichtung aufweist. Alle Teilhologramme vom Typ „A“ beugen auftreffendes Licht ausschließlich in Richtung des dem Hologramm A zugeordneten Photodetektors 7. Genauso beugen die Teilhologramme der Typen „B“, „C“ und „D“ einfallendes Licht in Richtung der den Teilhologrammen B, C, D jeweils zugeordneten Photodetektoren 7. Das von den Teilhologrammen eines Typs (z.B. Typ A) gebeugte Licht läuft also nicht parallel zur Detektorebene 5, sondern wird auf einen Detektor 7 gebündelt.For that in the left half of the 2 shown hologram A has been specified, for example, that incident light on a point of the detector plane 5 to fall, in which a hologram A associated photodetector 7 lies. Each 10 micron wide strips of this hologram A, taken at a distance of 40 microns from the left hologram A and inserted at the corresponding location in the right hologram H form part of the hologram H. The other sub-holograms B, C, D are corresponding to the Illumination of the other photodetectors 7 designed. Further strips of width 10 μm from the three partial holograms B, C, D complete the hologram H, which then has a periodicity (A - B - C - D) of 40 μm in the measuring direction. All partial holograms of the type "A" diffract incident light exclusively in the direction of the hologram A associated photodetector 7 , Likewise, the partial holograms of the types "B", "C" and "D" diffract incident light in the direction of the photodetectors associated with the sub-holograms B, C, D, respectively 7 , The light diffracted by the partial holograms of one type (eg type A) thus does not run parallel to the detector plane 5 but gets to a detector 7 bundled.

Das Hologramm H wird natürlich rein rechnerisch generiert: Sowohl die Berechnung der vollständigen Teilhologramme A, B, C, D, als auch deren Zerlegung in Streifen und das Zusammensetzen des Hologramms H aus diesen Streifen erfolgt mit einem Computer, der als Ausgabe beispielsweise eine CAD-Datei liefert, mit der ein Elektronenstrahlschreiber das Hologramm H der rechten Hälfte der 2 mit einem Raster von einem Mikrometer auf ein beschichtetes Glassubstrat schreiben kann.The hologram H is, of course, generated purely mathematically: both the calculation of the complete sub-holograms A, B, C, D, as well as their division into strips and the assembling of the hologram H from these strips is done with a computer which outputs as output a CAD- File provides, with a electron beam recorder, the hologram H of the right half of 2 can write on a coated glass substrate with a pitch of one micron.

Der Maßstab 2 trägt ein Schattenwurfgitter 6, dessen Periodizität der des Hologramms H entspricht, in diesem Beispiel also 40 µm. Dabei kann die Breite der hellen (durchlässigen oder reflektierenden) Streifen des Gitters 6 z.B. 10 µm betragen, und die Breite der dunklen (undurchlässigen oder absorbierenden) Streifen 30 µm. So gibt es Gitterpositionen, in denen nur Streifen eines einzigen Teilhologramms (z.B. nur „A-Streifen“) beleuchtet werden, und damit gebeugtes Licht nur auf einen einzigen der Photodetektoren 7 fällt. Beim Verschieben des Maßstabes nimmt dann die Beleuchtungsintensität am einem Detektor 7 ab, während sie am nächsten Detektor 7 zunimmt, bis schließlich nur der nächste Detektor 7 beleuchtet wird.The scale 2 carries a shadow grille 6 , whose periodicity corresponds to that of the hologram H, in this example, 40 microns. Here, the width of the light (translucent or reflective) stripes of the grid 6 For example, be 10 microns, and the width of the dark (impermeable or absorbing) strip 30 microns. So there are grid positions in which only strips of a single partial hologram (eg only "A-strip") are illuminated, and thus diffracted light on only one of the photodetectors 7 fall. When moving the scale then the illumination intensity decreases at a detector 7 while they are at the next detector 7 increases, until finally only the next detector 7 is illuminated.

Die vier Positionen des Maßstabes, in denen jeweils nur ein Teilhologramm A, B, C, D beleuchtet wird, sind in 3 dargestellt: in den Positionen a, b, c und d wird jeweils nur auf einen einzigen Photodetektor 7 Laserlicht 9 gebeugt. Aufgrund der Beugung an den Grenzen der Teilhologramme A, B, C, D ist das Laserlicht 9 in Messrichtung X aufgespalten. Die 0. Beugungsordnung (also der ungebeugte Laserstrahl 8) ändert seine Lage und Intensität nicht. Eine möglichst hohe Effizienz des Hologramms H ist wünschenswert, um einen guten Signal-Rauschabstand der Detektorsignale zu erhalten.The four positions of the scale, in each of which only a partial hologram A, B, C, D is illuminated, are in 3 shown: in the positions a, b, c and d is in each case only a single photodetector 7 laser light 9 bent. Due to the diffraction at the boundaries of the partial holograms A, B, C, D is the laser light 9 split in the measuring direction X. The 0 , Diffraction order (ie the undiffracted laser beam 8th ) does not change its location and intensity. The highest possible efficiency of the hologram H is desirable in order to obtain a good signal-to-noise ratio of the detector signals.

Es ist auch möglich, ein Gitter 6 mit einem anderen Teilungsverhältnis zu verwenden, etwa 20 µm helle und 20 µm dunkle Gitterbereiche. Dadurch werden die periodischen Signale an den Photodetektoren 7 zwar breiter und überlappen sich stärker, man erhält aber dennoch vier periodische Signale, die um je 90 Grad phasenverschoben sind. Andere Phasenverschiebungen lassen sich durch eine andere Zahl von Teilhologrammen A, B, C, D innerhalb einer Hologrammperiode realisieren: Mit drei Teilhologrammen erhält man z.B. 120 Grad Phasenverschiebung.It is also possible to have a grid 6 to use with a different division ratio, about 20 microns bright and 20 micron dark grid areas. This will cause the periodic signals at the photodetectors 7 although wider and overlap more strongly, but you still get four periodic signals, which are phase-shifted by 90 degrees. Other phase shifts can be realized by a different number of sub-holograms A, B, C, D within a hologram period: With three sub-holograms one obtains eg 120 degrees phase shift.

Wie 4 zeigt, lässt sich der Aufbau gemäß 1 auch relativ einfach zu einem Positionsmessgerät für zwei (üblicherweise aufeinander senkrecht stehende) Messrichtungen X und Y erweitern. Hierzu trägt der Maßstab 4 nun ein 2-dimensionales Schattenwurfgitter in Form eines Kreuzgitters 6, wie es beispielhaft in einer separaten Draufsicht in der 4 dargestellt ist. Je nach gewünschter Transmission kann dieses Kreuzgitter auch invertiert und/oder mit unterschiedlichen Strich/Lücke - Verhältnissen wie z.B. 1:1, 3:1 oder 1:3 verwendet werden. In jedem Fall sollte die Periode des Kreuzgitters 6 und damit des periodischen Lichtmusters auf der Abtastplatte 4 der Periodizität des Hologramms H entsprechen.As 4 shows, the structure can be according to 1 also relatively easy to extend a position measuring device for two (usually mutually perpendicular) measuring directions X and Y. This is supported by the scale 4 now a 2-dimensional shadow grille in the form of a cross lattice 6 as exemplified in a separate plan view in the 4 is shown. Depending on the desired transmission, this cross lattice can also be inverted and / or used with different line / gap ratios, such as 1: 1, 3: 1 or 1: 3. In any case, should the period of the cross lattice 6 and thus the periodic light pattern on the scanning plate 4 correspond to the periodicity of the hologram H.

Das in der 4 ebenfalls als separate Draufsicht dargestellte Hologramm H auf der Abtastplatte 4 ist in zwei Hälften aufgeteilt, die beide durch das Laserlicht beleuchtet werden. Die erste, obere Hälfte des Hologramms H ist ausgebildet wie in 1 und 2 beschrieben. Die in dieser Hälfte beleuchteten Teilhologramme A, B, C, D beugen das Licht abwechselnd auf die Photodetektoren 7a zur Bestimmung der Relativlage in Messrichtung X.That in the 4 also shown as a separate plan view hologram H on the scanning 4 is divided into two halves, both of which are illuminated by the laser light. The first, upper half of the hologram H is formed as in 1 and 2 described. The partial holograms A, B, C, D illuminated in this half bend the light alternately onto the photodetectors 7a for determining the relative position in the measuring direction X.

Die in der zweiten Hälfte des Hologramms H angeordneten Teilhologramme A', B', C', D' sind um 90 Grad gegenüber denen der ersten Hälfte gedreht und nicht in Messrichtung X nebeneinander, sondern übereinander angeordnet. Dies entspricht einer Nebeneinanderanordnung in Messrichtung Y. Die in dieser zweiten Hälfte beleuchteten Teilhologramme A', B', C', D' beugen das Licht abwechselnd auf die Photodetektoren 7b zur Bestimmung der Relativlage in Messrichtung Y. Andere, stärker verschachtelte Anordnungen der Teilhologramme A, B, C, D, A', B', C', D' sind denkbar. Die Lage der Photodetektoren 7a und 7b kann frei gewählt werden, es müssen nur die Teilhologramme A, B, C, D, A', B', C', D' entsprechend berechnet werden. Eine zum ungebeugten Lichtstrahl 8 punktsymmetrische Anordnung aller Detektoren 7a und 7b kann aus Gründen der Beugungseffizienz vorteilhaft sein.The arranged in the second half of the hologram H partial holograms A ', B', C ', D' are rotated by 90 degrees relative to those of the first half and not in the measuring direction X side by side, but arranged one above the other. This corresponds to a side-by-side arrangement in the measuring direction Y. The partial holograms A ', B', C ', D' illuminated in this second half deflect the light alternately onto the photodetectors 7b for determining the relative position in the measuring direction Y. Other, more nested arrangements of the partial holograms A, B, C, D, A ', B', C ', D' are conceivable. The location of the photodetectors 7a and 7b can be chosen freely, only the partial holograms A, B, C, D, A ', B', C ', D' have to be calculated accordingly. One to the undeflected beam of light 8th point-symmetrical arrangement of all detectors 7a and 7b may be advantageous for reasons of diffraction efficiency.

Von Vorteil ist, wenn jeweils mehrere Perioden des Hologramms H durch mehrere Perioden des periodischen Lichtmusters 10 beleuchtet werden. Der Laserstrahl 8 sollte dazu einen Querschnitt aufweisen, der (in jeder Messrichtung X, Y) ein mehrfaches der Gitterperiode des Schattenwurfgitters 6 umfasst. Verschmutzungen auf dem Maßstab 2 oder auf der Abtastplatte 4, die deutlich kleiner sind als der Querschnitt des Laserstrahls, aber in der Größenordnung der Gitterperiode, verschlechtern die Signale der Photodetektoren 7 nur unwesentlich. Im Gegensatz zu vielen anderen Positionsmessgeräten fällt nämlich nicht ein Detektorsignal kurzeitig ganz aus, sondern es wird lediglich die Amplitude eines oder mehrerer Detektorsignale reduziert, wenn eine Periode des Schattenbildes ausfällt. Es tragen nämlich immer alle Lichtperioden des Laserstrahls zum Lichteinfall auf die einzelnen Detektoren 7 bei.It is advantageous if in each case several periods of the hologram H by several periods of the periodic light pattern 10 be illuminated. The laser beam 8th should have a cross section to it, which (in each measuring direction X, Y) is a multiple of the grating period of the shadow grating 6 includes. Dirt on the scale 2 or on the scanning plate 4 , which are significantly smaller than the cross section of the laser beam, but on the order of the grating period, deteriorate the signals of the photodetectors 7 only insignificant. In contrast to many other position measuring devices, a detector signal does not fall short of time, but only the amplitude of one or more detector signals is reduced when one period of the shadow image fails. Namely, it always wear all the light periods of the laser beam to the incident light on the individual detectors 7 at.

5 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Erzeugung des periodischen Lichtmusters 10 auf der Abtastplatte 4. Zwei Laserstrahlen 8a, 8b fallen hierzu unter einem Winkel α zueinander auf die Abtastplatte 4 im Bereich des Hologramms 6. Die Laserstrahlen interferieren dort miteinander und bilden das gewünschte periodische Lichtmuster 10 mit der Periode P = λ / ( 2 * sin ( α / 2 ) )

Figure DE102005058808B4_0001
aus, wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlen 8a, 8b ist. Mit drei Laserstrahlen 8a, 8b lässt sich auch ein Punktgitter für zwei Messrichtungen erzeugen. In beiden Fällen wird die Laserlichtquelle relativ zum Abtastkopf bewegt. 5 shows an alternative embodiment for generating the periodic light pattern 10 on the scanning plate 4 , Two laser beams 8a . 8b fall to this purpose at an angle α to each other on the scanning 4 in the area of the hologram 6 , The laser beams interfere with each other and form the desired periodic light pattern 10 with the period P = λ / ( 2 * sin ( α / 2 ) )
Figure DE102005058808B4_0001
 where λ is the wavelength of the laser beams 8a . 8b is. With three laser beams 8a . 8b It is also possible to generate a dot grid for two measuring directions. In both cases, the laser light source is moved relative to the scanning head.

Eine Referenzmarke zur Codierung der absoluten Position kann erzeugt werden, indem auf der Abtastplatte 4 zusätzliche Hologramme vorgesehen werden, die nur in bestimmten Stellungen des Maßstabs 2 durch eine transparente Öffnung des Maßstabs 2 beleuchtet werden und das Licht dann auf einen Detektor für die Referenzposition lenken. Dabei ist es auch möglich, mehrere solcher Hologramme auf einen Detektor zu richten und so die Signalhöhe dieses Detektors positionsabhängig zu variieren.A reference mark for coding the absolute position can be generated by placing on the scanning plate 4 additional holograms are provided, which only in certain positions of the scale 2 through a transparent opening of the scale 2 be illuminated and then direct the light to a detector for the reference position. It is also possible to direct a plurality of such holograms to a detector and thus to vary the signal level of this detector in a position-dependent manner.

Es kann auch ein Hologramm für mehrere unterschiedliche Wellenlängen erzeugt werden, das einfallendes Licht verschiedener Wellenlängen in jeweils unterschiedliche Richtungen beugt. Beleuchtet man so ein Hologramm gleichzeitig mit Licht mit mehren Wellenlängen, lässt sich z.B. auch so eine Referenzmarke realisieren.It is also possible to generate a hologram for several different wavelengths, which diffracts incident light of different wavelengths in different directions. If one illuminates such a hologram simultaneously with light with several wavelengths, e.g. also realize such a reference mark.

Für den Aufbau eines hier beschriebenen Positionsmessgerätes ist es nicht notwendig, dass die Detektoren 7 in einer Ebene liegen. Vielmehr können sie beinahe frei entsprechend den gegebenen Randbedingungen angeordnet werden. Die Teilhologramme A, B, C, D müssen nur jeweils so berechnet werden, dass einfallendes Licht auf den jeweils zugeordneten Detektor fällt.For the construction of a position measuring device described here, it is not necessary that the detectors 7 lie in one plane. Rather, they can be arranged almost freely according to the given boundary conditions. The partial holograms A, B, C, D only have to be calculated in each case such that incident light falls on the respective associated detector.

An einem Versuchsaufbau gemäß 1 wurde festgestellt, dass die Photodetektoren 7 eines solchen Positionsmessgeräts Signale mit einem besonders hohen Modulationsgrad liefern. Wählt man die Perioden von Hologramm H und Maßstab 2 so, dass Dreiecksignale entstehen (also z.B. 20µm Maßstabperiode und vier Teilhologramme mit je 10µm Breite) so bietet sich an, aus der Lage der Flanken eines durch Ableitung aus den Detektorsignalen gebildeten Rechtecksignals die Geschwindigkeit (z.B. Drehgeschwindigkeit eines Motors, oder Verfahrgeschwindigkeit eines Schlittens) zu ermitteln. Da die Flanke des durch Ableitung gebildeten Rechtecksignals nicht von der Signalhöhe der zugrunde liegenden Detektorsignale abhängt, gelingt dies mit hoher Genauigkeit.On a test setup according to 1 it was found that the photodetectors 7 Such a position measuring device deliver signals with a particularly high degree of modulation. If one chooses the periods of hologram H and scale 2 so that triangular signals arise (ie, for example 20μm scale period and four sub-holograms with 10μm width) so it is advisable, from the position of the flanks of a signal formed by derivation of the detector signals the speed (eg rotational speed of a motor, or travel speed of a carriage) determine. Since the edge of the square wave signal formed by the derivative does not depend on the signal level of the underlying detector signals, this is achieved with high accuracy.

Claims (6)

Positionsmessgerät mit einer Laserlichtquelle (1) und einem Abtastkopf (3) mit Photodetektoren (7), die Laserlicht (8) der Laserlichtquelle (1) empfangen, sowie mit einem Mittel (2, 6) zum Erzeugen eines periodischen Lichtmusters (10) auf einer Abtastplatte (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (4) ein aus wenigstens zwei flächig ineinander verschachtelten Teilhologrammen (A, B, C, D) zusammengesetztes Hologramm (H) trägt, wobei die Teilhologramme (A, B, C, D) einfallendes Laserlicht (8) in Richtung der den Teilhologrammen (A, B, C, D) jeweils zugeordneten Photodetektoren (7) beugen.Position measuring device comprising a laser light source (1) and a scanning head (3) with photodetectors (7) receiving laser light (8) of the laser light source (1) and means (2, 6) for generating a periodic light pattern (10) on one Scanning plate (4), characterized in that the scanning plate (4) carries a hologram (H) composed of at least two partial nested sub-holograms (A, B, C, D), the sub-holograms (A, B, C, D) incident laser light (8) in the direction of the sub-holograms (A, B, C, D) each associated photodetectors (7) bow. Positionsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilhologramme (A, B, C, D) in regelmäßigen Streifen und in einer Messrichtung (X, Y) periodisch nebeneinander angeordnet sind.Position measuring device after Claim 1 , characterized in that the partial holograms (A, B, C, D) in periodic strips and in a measuring direction (X, Y) are arranged periodically next to each other. Positionsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erzeugen des periodischen Lichtmusters (10) ein in Messrichtung (X, Y) relativ zum Abtastkopf (3) beweglicher Maßstab (2) mit einem Schattenwurfgitter (6) ist.Position measuring device after Claim 1 or 2 , characterized in that the means for generating the periodic light pattern (10) in the measuring direction (X, Y) relative to the scanning head (3) movable scale (2) with a shadow grille (6). Positionsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erzeugen des periodischen Lichtmusters (10) eine Quelle für auf der Abtastplatte (4) interferierende Laserstrahlen (8a, 8b) ist.Position measuring device after Claim 1 or 2 , characterized in that the means for generating the periodic light pattern (10) is a source of laser beams (8a, 8b) interfering with the scanning plate (4). Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (4) ein Bestandteil des Abtastkopfes (3) ist.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the scanning (4) is a part of the scanning head (3). Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Perioden des Hologramms (H) durch mehrere Perioden des periodischen Lichtmusters (10) beleuchtet werden.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that in each case a plurality of periods of the hologram (H) are illuminated by a plurality of periods of the periodic light pattern (10).
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